EP3678255B1 - Method for calibrating a family of lithium-ion battery elements, charging method, associated computer program product and charging device - Google Patents
Method for calibrating a family of lithium-ion battery elements, charging method, associated computer program product and charging device Download PDFInfo
- Publication number
- EP3678255B1 EP3678255B1 EP19219728.3A EP19219728A EP3678255B1 EP 3678255 B1 EP3678255 B1 EP 3678255B1 EP 19219728 A EP19219728 A EP 19219728A EP 3678255 B1 EP3678255 B1 EP 3678255B1
- Authority
- EP
- European Patent Office
- Prior art keywords
- battery
- battery element
- charging
- state
- limit value
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 38
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 title claims description 34
- 238000004590 computer program Methods 0.000 title claims description 4
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 title description 6
- 230000036541 health Effects 0.000 claims description 50
- 238000013178 mathematical model Methods 0.000 claims description 12
- 230000006870 function Effects 0.000 claims description 9
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 7
- 238000007599 discharging Methods 0.000 claims description 5
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 claims description 4
- 230000009467 reduction Effects 0.000 claims description 3
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 27
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 description 17
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 16
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 8
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 7
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 7
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 6
- 230000003862 health status Effects 0.000 description 6
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 5
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- 235000008733 Citrus aurantifolia Nutrition 0.000 description 4
- 235000011941 Tilia x europaea Nutrition 0.000 description 4
- 239000004571 lime Substances 0.000 description 4
- 230000005526 G1 to G0 transition Effects 0.000 description 3
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 3
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 3
- 229910014422 LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2 Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011149 active material Substances 0.000 description 2
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 2
- 125000005910 alkyl carbonate group Chemical group 0.000 description 2
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 2
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 2
- 229910003002 lithium salt Inorganic materials 0.000 description 2
- 159000000002 lithium salts Chemical class 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- KMTRUDSVKNLOMY-UHFFFAOYSA-N Ethylene carbonate Chemical compound O=C1OCCO1 KMTRUDSVKNLOMY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910010707 LiFePO 4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910013870 LiPF 6 Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002482 conductive additive Substances 0.000 description 1
- 238000003869 coulometry Methods 0.000 description 1
- 230000002542 deteriorative effect Effects 0.000 description 1
- IEJIGPNLZYLLBP-UHFFFAOYSA-N dimethyl carbonate Chemical compound COC(=O)OC IEJIGPNLZYLLBP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011262 electrochemically active material Substances 0.000 description 1
- JBTWLSYIZRCDFO-UHFFFAOYSA-N ethyl methyl carbonate Chemical compound CCOC(=O)OC JBTWLSYIZRCDFO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000002484 inorganic compounds Chemical class 0.000 description 1
- 229910010272 inorganic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 1
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 1
- 230000002427 irreversible effect Effects 0.000 description 1
- 238000006138 lithiation reaction Methods 0.000 description 1
- XGZVUEUWXADBQD-UHFFFAOYSA-L lithium carbonate Chemical class [Li+].[Li+].[O-]C([O-])=O XGZVUEUWXADBQD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- -1 lithium hexafluorophosphate Chemical group 0.000 description 1
- 229910001386 lithium phosphate Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000013508 migration Methods 0.000 description 1
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 1
- 230000000750 progressive effect Effects 0.000 description 1
- 238000006479 redox reaction Methods 0.000 description 1
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
- 229910000314 transition metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- TWQULNDIKKJZPH-UHFFFAOYSA-K trilithium;phosphate Chemical compound [Li+].[Li+].[Li+].[O-]P([O-])([O-])=O TWQULNDIKKJZPH-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
- H01M10/48—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
- H01M10/425—Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
- G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
- G01R31/367—Software therefor, e.g. for battery testing using modelling or look-up tables
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
- G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
- G01R31/392—Determining battery ageing or deterioration, e.g. state of health
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
- H02J7/0069—Charging or discharging for charge maintenance, battery initiation or rejuvenation
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
- G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
- G01R31/385—Arrangements for measuring battery or accumulator variables
- G01R31/3865—Arrangements for measuring battery or accumulator variables related to manufacture, e.g. testing after manufacture
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
- H01M10/052—Li-accumulators
- H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
- H01M10/425—Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
- H01M2010/4271—Battery management systems including electronic circuits, e.g. control of current or voltage to keep battery in healthy state, cell balancing
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
- H02J7/0047—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with monitoring or indicating devices or circuits
- H02J7/0048—Detection of remaining charge capacity or state of charge [SOC]
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Definitions
- the present invention relates to a method for calibrating a family of Li-ion battery cells. Also provided are a charging method, a computer program product and a charging device.
- the invention applies to the field of batteries, more particularly to the field of lithium-ion batteries.
- Li-ion batteries also known as Li-ion, generally have a higher specific energy than other types of batteries. As a result, Li-ion batteries constitute an advantageous alternative for the storage of electrical energy.
- Li-ion batteries comprise at least one battery element, each battery element comprising a so-called “positive” electrode (or cathode) and a so-called “negative” electrode (or anode), separated by an electrolyte.
- the cathode is generally metallic, for example made of a compound of the transition metal oxide type or of the lithium phosphate type comprising lithium.
- the anode contains graphite particles.
- Li-ion battery cells which include an anode of a similar nature (that is to say an anode with in particular the same morphology of the graphite particles, the same composition, the same binder and the same porosity), a similar cathode (that is to say a cathode having in particular the same composition: the same binder, the same conductive additive, the same porosity) and a similar electrolyte (that is to say an electrolyte with, in particular, the same ionic conductivity) define a “family”, within the meaning of the present invention.
- Li + lithium ions migrate from the cathode of each battery cell to insert themselves into the graphite of the corresponding anode. Reverse migration occurs when the battery discharges.
- Such degradation is due to the formation of a metallic lithium deposit on the surface of the graphite particles of the anode. Such a phenomenon generally occurs when charging the battery, and is commonly referred to by the English expression “ lithium plating”.
- the lithium When such a deposit comes into contact with the electrolyte, the lithium generally oxidizes to form compounds such as lithium carbonates (ROCO 2 Li) or inorganic compounds (Li 2 CO 3 , LiF). The lithium then becomes inactive from an electrochemical point of view, and is no longer able to participate in the redox reactions taking place at the electrodes.
- ROCO 2 Li lithium carbonates
- Li 2 CO 3 inorganic compounds
- the phenomenon of lithium deposition contributes to the loss of battery capacity, thereby reducing its lifespan.
- the document FROM 10 2013 007011 A1 described with reference to his figure 1 , a method of charging a battery comprising at least one Li-ion battery cell.
- the document US 2018/123354 A1 describes, with reference to its figure 9, a method for calibrating a family of Li-ion battery elements.
- Regarding the document FROM 10 2016 007479 A1 also describes a method for calibrating a family of Li-ion battery cells.
- An aim of the invention is to propose a calibration method which makes it possible to extend the lifespan of Li-ion batteries.
- Such a method makes it possible to determine the limit value of the predetermined characteristic quantity, for which the anode potential is still positive or zero.
- the use of such a limit value gives the possibility, when charging the battery cell, to interrupt the charging of the battery cell when the current value of the predetermined characteristic quantity reaches the limit value, or to reduce the charging regime in favor of a lower charging regime, for which the limit value of the predetermined characteristic quantity is higher than the limit value associated with the current charging regime.
- the evaluation of the state of health of the battery cell allows the degradation of the performance of the battery cell to be taken into account over time.
- the limit value is obtained by applying the calibration process as defined above.
- the invention relates to a computer program product comprising program code instructions which, when executed by a computer, implement the charging method as defined above.
- the computer is, in addition, configured to control the reduction of the charging speed in the event of detection of the limit state.
- a battery element 2 is schematically represented on the figure 1 .
- the battery element 2 is such that a battery is obtained by the series and/or parallel assembly of a plurality of battery elements 2. More precisely, the battery element 2 is an element of a Li-ion battery.
- the battery element 2 comprises a so-called positive electrode, also called “cathode” 4, and a so-called negative electrode, also called “anode” 6.
- the cathode 4 and the anode 6 are arranged at a distance from each other. one from the other, the space between the electrodes 4, 6 being occupied by an electrolyte 8.
- the battery cell 2 has a surface capacity Q, generally expressed in milliampere hours per square centimeter (mAh/cm 2 ).
- surface capacity is meant the equivalent capacity of the active material per unit surface, that is to say an equivalent capacity obtained from the capacity representative of the performance of the electrochemically active material (in mAh/g ) within the electrodes, relative to the surface of the electrodes and multiplied by the quantity of active material actually present in the electrodes (in grams).
- Such a surface capacity varies over time and, more specifically, decreases, from an initial maximum value, called initial surface capacity Q 0 , as a state of health H of the battery cell increases. 2 is deteriorating.
- Such a state of health H (in English, “ state of health ”) constitutes an indicator of the aging of the battery cell 2. Such aging comes, for example, from a deposit of metallic lithium at the anode. 6.
- the battery cell 2 is such that, before the first charge of the battery cell 2, the cathode 4 contains lithium.
- the cathode 4 is made of a compound comprising lithium, such as LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 .
- the anode 6 comprises graphite particles.
- the electrolyte 8 is a solution of a lithium salt dissolved in a mixture of alkylcarbonates.
- the lithium salt is lithium hexafluorophosphate LiPF 6 .
- the alkyl carbonate mixture is a mixture of ethylene carbonate, ethyl methyl carbonate and dimethyl carbonate.
- the calibration method of the family to which the battery element 2 belongs is described with reference to the figure 2 .
- a plurality of battery cells 2 of the same family is provided. At least two battery elements 2 of the family have a different initial surface capacity Q 0 and a different state of health H.
- a battery cell 2 is chosen from the plurality of battery cells 2.
- the state of health H of the chosen battery cell 2 is evaluated, i.e. -say calculated. Alternatively, the state of health H is evaluated during each cyclic step 12 described subsequently.
- the chosen battery cell 2 is initially discharged.
- the chosen battery cell 2 is then connected to a calibration device (not shown).
- the step following the initialization step 10 is a cyclic step 12, as described later.
- the calibration device keeps the temperature of the battery cell 2 constant.
- the calibration device is configured to implement cyclic step 12 following a predetermined number of iterations.
- the corresponding temperatures are preferably different.
- the step following each cyclic step 12 is a test step 14.
- the calibration device determines whether the number of times during which the cyclic step 12 was implemented has reached the predetermined number of iterations.
- the step following step test step 14 is a new cyclic step 12. If, during the test step 14, the calibration device determines that the cyclic step 12 has been implemented a number of times equal to the predetermined number of iterations , then the step following the test step 14 is a calculation step 16.
- the calibration device subjects the battery cell 2 to a predetermined number of cycles each comprising a charging phase 12.1 and a discharge phase 12.2 of the battery cell 2, as illustrated by the Figure 3 .
- the calibration device determines, during a control phase 12.3, whether the number of cycles carried out has reached the predetermined number of cycles. If the number of cycles carried out is strictly less than the predetermined number of cycles, then a new cycle comprising a charging phase 12.1 and a discharging phase 12.2 is implemented.
- cyclic step 12 is followed by test step 14.
- the calibration device supplies the battery cell 2 with electrical energy at a predetermined constant charging rate.
- charging regime is meant, within the meaning of the present invention, an electric current calculated from the maximum constant current that a battery or that a battery cell 2 is capable of delivering in one hour.
- the charging regime 1C corresponds to a current of 1000 mA
- the charging regime C/10 corresponds to an electric current of 100 mA
- the 3C charging regime corresponds to an electric current of 3000 mA, etc.
- the calibration device charges the battery cell 2 at a charging rate higher than the charging rate associated with the previous charging phase 12.1.
- the charging regime is successively C/10, then C/2, then 0.75C, then 1C, then 1.25C, then 1.5C, then 2C, then 3C, then 5C.
- the calibration device measures, during each charging phase 12.1 of cyclic step 12, the voltage across the battery cell 2.
- the calibration device measures the potential of the anode 6 of the battery element 2.
- potential of the anode 6 generally decreases with the increase in a state of charge S of battery cell 2, as defined later.
- the calibration device calculates the potential of the anode 6 from a measurement of the potential difference between the anode 6 and a reference electrode presenting a fixed potential over time, for example an electrode at lithium Li + /Li classically known.
- the calibration device calculates the state of charge S of the battery cell 2.
- q max is the maximum capacity of the battery cell 2 at the end of the charging phase associated with the regime charge C/10.
- the capacity q(t) of the battery element 2 at time t is, for example, taken equal to the integral, between a predetermined initial time and the current time t, of the measured value of the current circulating at through battery cell 2.
- the value of the capacity q(t) is positive.
- the predetermined initial instant is, for example, the instant at which the charging phase 12.1 begins.
- the state of charge S increases during charging phase 12.1.
- the state of charge S constitutes a predetermined characteristic quantity of the battery element 2, the value of which is representative of the value of the electric potential of the anode 6.
- the calibration device During each charging phase 12.1, the calibration device also determines a limit value VAL lim of the state of charge S, for which the potential difference between the anode 6 and the reference electrode becomes less than or equal at a predetermined threshold.
- the limit value VAL lim corresponds to a zero potential difference between the anode 6 and the reference electrode.
- the calibration device records the limit value VAL lim , the limit value VAL lim being associated with the family of the chosen battery element 2, with the initial surface capacity Q 0 of the chosen battery element 2, with the state of health H of the chosen battery element 2 and at the charging regime of the charging phase 12.1 considered.
- the recorded limit value VAL lim is also associated with the respective temperature at which the chosen battery element 2 is maintained during each cyclic step 12.
- the graph of the figure 4 illustrates the evolution of the anode potential of a Li-ion battery cell 2 as a function of its state of charge S, for the same charging regime and the same initial surface capacity Q 0 given for the battery cell 2 , for four distinct values of the state of health H, the temperature here being constant and identical for all the measurements.
- Curve 41 (dotted lines) illustrates the evolution of the anode potential as a function of the state of charge S, when the battery element 2 has a state of health of 100%.
- Curve 42 (thick solid line) illustrates the evolution of the anode potential as a function of the state of charge S, when the battery element 2 has a state of health of 90%.
- Curve 43 (thin solid line) illustrates the evolution of the anode potential as a function of the state of charge S, when the battery element 2 has a state of health of 80%.
- Curve 44 (dashed lines) illustrates the evolution of the anode potential as a function of the state of charge S, when the battery element 2 has a state of health of 60%.
- the limit value VAL lim of the state of charge S that is to say the value of the state of charge S for which the potential d The anode cancels out, is all the weaker as the state of health H of the battery element 2 is low.
- the calibration device ends each charging phase 12.1 when a predetermined condition is met. For example, the calibration device ends each charging phase 12.1 when the voltage across the battery cell 2 reaches a predetermined maximum voltage.
- the calibration device takes electrical energy from the battery cell 2, at a predetermined charging rate.
- the calibration device takes energy from the battery cell 2 at an identical charging rate for all the discharge phases 12.2 of the cyclic step 12, for example a charging rate worth C/10 .
- the calibration device ends each discharge phase 12.2 when a predetermined condition is met. For example, the calibration device ends the discharge phase 12.2 when the voltage across the battery cell 2 reaches a predetermined minimum voltage, strictly lower than the predetermined maximum voltage.
- the predetermined minimum and maximum voltages depend in particular on the nature of the materials present within the battery element 2.
- the predetermined minimum and maximum voltages are chosen so as to reach a limit lithiation state making it possible to preserve the insertion structure of the materials used in the battery element 2.
- the electrolyte 8 is chosen to be stable at least between the predetermined minimum voltage and maximum voltage.
- the predetermined minimum and maximum voltages for a known Gr/NMC (i.e. graphite/LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 ) battery cell are respectively 2.7 V and 4.2 V.
- the minimum and maximum predetermined voltages for a known Gr/LFP (i.e. graphite/LiFePO 4 ) battery cell are respectively 2.0 V and 3.6 V.
- At least one charging phase 12.1 or at least one discharging phase 12.2 of the cyclic step 12 is followed by a stationary phase 12.4.
- a stationary phase 12.4 no exchange of electrical energy occurs between the calibration device and the battery element 2.
- Each stationary phase has a predetermined duration, for example 30 minutes.
- the initialization step 10 and the plurality of cyclic steps 12 have been implemented for the battery element 2, the initialization step 10 and the plurality of cyclic steps 12 are implemented. implemented for another battery element 2 among the plurality of battery elements 2 of the same family which was initially supplied.
- the calibration device uses the VAL lim limit values obtained for various charging regimes, different initial surface capacities of battery elements 2 and different states of health to calculate, by regression, the parameters of a mathematical model linking the limit value VAL lim to the charging regime, to the initial surface capacity Q 0 of battery cell 2 and to the state of health of battery cell 2.
- the calibration device uses the limit values VAL lim obtained for various temperatures, various charging regimes, different initial surface capacities of battery elements 2 and different states of health to calculate, by regression, the parameters of a mathematical model linking the limit value VAL lim to the charging regime, to the temperature of the battery cell 2, to the initial surface capacity Q 0 of battery cell 2 and to the health state of battery cell 2.
- the predetermined characteristic quantity chosen is the voltage U between the cathode 4 and the anode 6 of the battery cell 2 chosen.
- the voltage U is taken as a quantity whose value is representative of the value of the electric potential of the anode 6.
- the implementation of the calibration method differs from the implementation previously described in the following.
- the calibration device During each charging phase 12.1, the calibration device does not calculate the state of charge S of the battery cell 2, but measures the voltage U between the electrodes 4, 6 of the battery cell 2. The voltage U increases during charging phase 12.1.
- the calibration device determines a limit value VAL lim of the voltage U for which the potential difference between the anode 6 and the reference electrode becomes less than or equal to one predetermined threshold.
- the calibration device records the limit value VAL lim of the voltage U, the limit value VAL lim being associated with the family of the battery element 2 chosen, with the capacity initial surface area of the chosen battery element 2, to the state of health of the chosen battery element and to the charging regime of the charging phase 12.1 considered.
- the calibration device uses the VAL lim limits of the voltage U obtained for various charging regimes and different initial surface capacities and different health states of battery cells to calculate, by regression, the parameters of a model mathematical linking the limit value VAL lim of the voltage U to the charging regime and to the initial surface capacity Q 0 and to the state of health H of the battery cell 2.
- the calibration device uses the limit values VAL lim obtained for various temperatures, various charging regimes, different initial surface capacities of battery elements 2 and different states of health to calculate, by regression, the parameters of a mathematical model linking the limit value VAL lim of the voltage to the charging regime , at the temperature of battery cell 2, at the initial surface capacity Q 0 of battery cell 2 and at the state of health H of battery cell 2.
- the battery 200 is obtained by placing identical battery elements 2 in series and/or in parallel.
- the charging device 20 comprises a power supply circuit 22 and a computer 26.
- the charging device 20 also includes at least one temperature sensor 24, each temperature sensor 24 being configured to measure the temperature of the battery 200.
- the power supply circuit 22 is configured to transmit electrical energy to the battery 200, from an electrical energy source 28. More precisely, the power supply circuit 22 is configured to transmit electrical energy to the battery 200 at a predetermined charging regime.
- the calculator 26 is configured to calculate the value of the predetermined characteristic quantity relating to each battery element 2 of the battery 200 over time.
- the calculator 26 is configured to calculate the state of charge of each battery element 2 of the battery 200 over time.
- the calculator 26 is configured to calculate the voltage between the electrodes 4, 6 of each battery element 2 of the battery 200 over time.
- the calculator 26 is also configured to store, for at least one family of battery elements 2, the model of the limit value VAL lim , for the predetermined characteristic quantity, which was obtained according to the calibration method as described previously .
- the calculator 26 is also configured to evaluate the state of health H of each battery element 2 of the battery 200.
- the calculator 26 is configured to calculate the limit value VAL lim of the predetermined characteristic quantity chosen for each battery element 2 of the battery 200 to be charged, as a function of the family of battery elements 2, of the initial surface capacity of the battery elements 2, the state of health H evaluated for each battery element 2 and the charging regime according to which the power supply circuit 22 supplies electrical energy to the battery 200.
- the computer 26 is configured to detect a situation, called a “limit state”, in which the value of the predetermined characteristic quantity relating to at least one battery element 2 reaches a predetermined fraction of the corresponding limit value VAL lim .
- the computer 26 is also configured to control the charging regime according to which the power supply circuit 22 supplies electrical energy to the battery 200.
- the computer 26 is configured to control, in the event of detection of the limit state, the reduction of the charging regime according to which the power supply circuit 22 supplies electrical energy to the battery 200.
- a battery 200 comprising identical battery elements 2 of a given family of Li-ion batteries, and having a given initial surface capacity Q 0 and a given state of health H, is provided.
- An operator provides information on the architecture of the battery 200 in the charging device 20.
- the operator provides information on how the battery elements 2 of the battery 200 are connected to each other.
- the operator also informs, in the charging device 20, the family and the initial surface capacity of the battery elements 2 of the battery 200.
- the charging device 20 evaluates the state of health of each battery element 2 of the battery 200.
- the charging device 20 loads the mathematical model of the limit charge VAL lim for the family corresponding to the battery elements 2 of the battery 200.
- the charging device 20 is intended to charge predetermined batteries 200, comprising identical battery elements 2.
- operator intervention during the configuration step 30 is not required, the information relating to the family and the initial surface capacity of the battery elements 2 of the battery 200, as well as to the The architecture of the battery 200, being pre-recorded in the charging device 20.
- the charging device 20 comprises a detector (not shown) configured to identify the battery 200, that is to say to determine the architecture of the battery elements 2, as well as the family and the surface capacity initial of the battery elements 2 of the battery 200. In this case, the intervention of the operator during the configuration step 30 is not required, the information relating to the family and the initial surface capacity of the battery elements 2 of the battery 200, as well as the architecture of the battery 200, being pre-recorded in the charging device 20.
- the power supply circuit 22 supplies electrical energy to the battery 200, at a given charging rate.
- each temperature sensor 24 preferably measures the temperature of the battery 200.
- the calculator 26 calculates the limit state of charge VAL lim for the family and the initial surface capacity of the battery elements 2, the state of health of each battery element 2 and the speed charging according to which the power supply circuit 22 supplies electrical energy to the battery 200.
- the calculator 26 also takes into account the temperature measured by each temperature sensor 24, if present, for the calculation of the state of charge limit VAL lim .
- the calculator 26 calculates the state of charge of each battery element 2.
- the calculator 26 detects a limit state.
- the calculator 26 calculates the voltage between the electrodes 4, 6 of each battery element 2. In this case, if the voltage between the electrodes of a battery element 2 of the battery 200 reaches the predetermined fraction of the value limit VAL lim for the voltage U, then the computer 26 detects a limit state.
- the calculator 26 evaluates the state of health of each battery element 2 throughout the power supply step 32, the value of the limit state of charge (or the limit voltage) being updated, over time, with the evolution of the state of health.
- the computer 26 commands the power supply circuit 22 to select a new charging regime distinct from the charging speed of the previous feeding step 32, preferably strictly lower than the charging speed of the previous feeding step 32.
- the computer 26 commands the power supply circuit 22 to select a new charging speed strictly lower than the charging speed of the previous power supply step 32.
- the step successive to the reconfiguration step 34 is the power supply step 32, the power supply circuit 22 supplying electrical energy to the battery 200 according to the new charging regime.
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Secondary Cells (AREA)
- Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
Description
La présente invention concerne un procédé d'étalonnage d'une famille d'éléments de batterie Li-ion. L'invention concerne également une méthode de charge, un produit programme d'ordinateur et un dispositif de charge.The present invention relates to a method for calibrating a family of Li-ion battery cells. Also provided are a charging method, a computer program product and a charging device.
L'invention s'applique au domaine des batteries, plus particulièrement au domaine des batteries lithium-ion.The invention applies to the field of batteries, more particularly to the field of lithium-ion batteries.
Les batteries lithium-ion, encore notées Li-ion, présentent généralement une énergie massique plus élevée que les autres types de batteries. Il en résulte que les batteries Li-ion constituent une alternative avantageuse pour le stockage d'énergie électrique.Lithium-ion batteries, also known as Li-ion, generally have a higher specific energy than other types of batteries. As a result, Li-ion batteries constitute an advantageous alternative for the storage of electrical energy.
Aujourd'hui, les batteries Li-ion comprennent au moins un élément de batterie, chaque élément de batterie comportant une électrode dite « positive » (ou cathode) et une électrode dite « négative » (ou anode), séparées par un électrolyte. La cathode est généralement métallique, par exemple réalisée dans un composé de type oxyde de métaux de transition ou de type phosphate de lithium comprenant du lithium. En outre, l'anode comporte des particules de graphite.Today, Li-ion batteries comprise at least one battery element, each battery element comprising a so-called “positive” electrode (or cathode) and a so-called “negative” electrode (or anode), separated by an electrolyte. The cathode is generally metallic, for example made of a compound of the transition metal oxide type or of the lithium phosphate type comprising lithium. In addition, the anode contains graphite particles.
Des éléments de batterie Li-ion qui comportent une anode de nature similaire (c'est-à-dire une anode avec notamment une même morphologie des particules de graphite, une même composition, un même liant et une même porosité), une cathode similaire (c'est-à-dire une cathode présentant notamment la même composition : un même liant, un même additif conducteur, une même porosité) et un électrolyte similaire (c'est-à-dire un électrolyte avec, notamment, une même conductivité ionique) définissent une « famille », au sens de la présente invention.Li-ion battery cells which include an anode of a similar nature (that is to say an anode with in particular the same morphology of the graphite particles, the same composition, the same binder and the same porosity), a similar cathode (that is to say a cathode having in particular the same composition: the same binder, the same conductive additive, the same porosity) and a similar electrolyte (that is to say an electrolyte with, in particular, the same ionic conductivity) define a “family”, within the meaning of the present invention.
En fonctionnement, lors d'une charge d'une batterie Li-ion, des ions lithium Li+ migrent à partir de la cathode de chaque élément de batterie pour s'insérer dans le graphite de l'anode correspondante. La migration inverse se produit lors d'une décharge de la batterie.In operation, when charging a Li-ion battery, Li + lithium ions migrate from the cathode of each battery cell to insert themselves into the graphite of the corresponding anode. Reverse migration occurs when the battery discharges.
Bien que présentant une densité massique d'énergie élevée, de telles batteries voient généralement leurs performances se dégrader au cours du temps.Although having a high energy mass density, such batteries generally see their performance degrade over time.
Une telle dégradation est due à la formation d'un dépôt de lithium métallique à la surface des particules de graphite de l'anode. Un tel phénomène se produit généralement lors de la charge de la batterie, et est couramment désigné par l'expression anglaise « lithium plating ». Such degradation is due to the formation of a metallic lithium deposit on the surface of the graphite particles of the anode. Such a phenomenon generally occurs when charging the battery, and is commonly referred to by the English expression “ lithium plating”.
Lorsqu'un tel dépôt entre en contact avec l'électrolyte, le lithium s'oxyde généralement pour former des composés de type carbonates de lithium (ROCO2Li) ou des composés inorganiques (Li2CO3, LiF). Le lithium devient alors inactif d'un point de vue électrochimique, et n'est plus en mesure de participer aux réactions d'oxydo-réduction ayant lieu au niveau des électrodes.When such a deposit comes into contact with the electrolyte, the lithium generally oxidizes to form compounds such as lithium carbonates (ROCO 2 Li) or inorganic compounds (Li 2 CO 3 , LiF). The lithium then becomes inactive from an electrochemical point of view, and is no longer able to participate in the redox reactions taking place at the electrodes.
En outre, un tel dépôt est également susceptible de se décrocher des particules de graphite de l'anode. Dans ce cas, le lithium sous forme métallique, bien qu'actif d'un point de vue électrochimique, n'est plus relié électroniquement à l'électrode et n'est donc plus susceptible d'être échangé entre les électrodes pour participer au transport de courant électrique dans les éléments de la batterie. Cette perte de lithium échangeable conduit à une chute progressive et irréversible de la capacité de la batterie.In addition, such a deposit is also likely to become detached from the graphite particles of the anode. In this case, the lithium in metallic form, although active from an electrochemical point of view, is no longer electronically connected to the electrode and is therefore no longer likely to be exchanged between the electrodes to participate in transport. of electric current in the battery cells. This loss of exchangeable lithium leads to a progressive and irreversible drop in battery capacity.
Le phénomène de dépôt de lithium contribue à la perte de capacité de la batterie, réduisant ainsi sa durée de vie.The phenomenon of lithium deposition contributes to the loss of battery capacity, thereby reducing its lifespan.
Le document
Toutefois, une telle batterie ne donne pas entière satisfaction.However, such a battery does not give complete satisfaction.
En effet, une telle batterie voit également ses performances se dégrader au cours du temps du fait de la formation de dépôts de lithium métallique à l'anode.Indeed, such a battery also sees its performance degrade over time due to the formation of metallic lithium deposits at the anode.
Il a noté que les documents
En effet, le document
Un but de l'invention est de proposer un procédé d'étalonnage qui permette de prolonger la durée de vie des batteries Li-ion.An aim of the invention is to propose a calibration method which makes it possible to extend the lifespan of Li-ion batteries.
A cet effet, l'invention a pour objet un procédé du type précité, comportant les étapes de :
- fourniture d'un élément de batterie de la famille, l'élément de batterie présentant une capacité surfacique initiale donnée correspondante ;
- au moins une évaluation d'un état de santé courant de l'élément de batterie fourni ;
- pour l'élément de batterie fourni, mise en oeuvre d'une pluralité de cycles successifs comprenant chacun une phase de charge et une phase de décharge, au moins deux phases de charge étant réalisées à des régimes de charge différents ;
- pour chaque phase de charge :
- mesure d'un potentiel électrique d'une anode de l'élément de batterie fourni ;
- calcul de la valeur d'une grandeur caractéristique prédéterminée de l'élément de batterie ;
- détermination d'une valeur limite de la grandeur caractéristique prédéterminée pour laquelle le potentiel de l'anode devient inférieur ou égal à un seuil prédéterminé ;
- enregistrement, dans une mémoire, de la valeur limite pour ladite famille ladite capacité surfacique initiale, le régime de charge de ladite phase de charge et l'état de santé évalué.
- providing a battery cell of the family, the battery cell having a corresponding given initial surface capacity;
- at least one assessment of a current health state of the supplied battery cell;
- for the supplied battery cell, implementation of a plurality of successive cycles each comprising a charging phase and a discharging phase, at least two charging phases being carried out at different charging regimes;
- for each charging phase:
- measuring an electrical potential of an anode of the supplied battery cell;
- calculation of the value of a predetermined characteristic quantity of the battery cell;
- determination of a limit value of the predetermined characteristic quantity for which the potential of the anode becomes less than or equal to a predetermined threshold;
- recording, in a memory, the limit value for said family, said initial surface capacity, the charging regime of said charging phase and the assessed state of health.
En effet, le phénomène de dépôt de lithium métallique se produit principalement lorsque le potentiel de l'anode devient négatif.Indeed, the phenomenon of metallic lithium deposition mainly occurs when the anode potential becomes negative.
Un tel procédé permet de déterminer la valeur limite de la grandeur caractéristique prédéterminée, pour laquelle le potentiel de l'anode est encore positif ou nul. L'utilisation d'une telle valeur limite confère la possibilité, lors d'une charge de l'élément de batterie, d'interrompre la charge de l'élément de batterie lorsque la valeur courante de la grandeur caractéristique prédéterminée atteint la valeur limite, ou encore de réduire le régime de charge au profit d'un régime de charge plus faible, pour lequel la valeur limite de la grandeur caractéristique prédéterminée est plus élevée que la valeur limite associée au régime de charge courant. En outre, l'évaluation de l'état de santé de l'élément de batterie autorise de prendre en compte la dégradation des performances de l'élément de batterie au cours du temps.Such a method makes it possible to determine the limit value of the predetermined characteristic quantity, for which the anode potential is still positive or zero. The use of such a limit value gives the possibility, when charging the battery cell, to interrupt the charging of the battery cell when the current value of the predetermined characteristic quantity reaches the limit value, or to reduce the charging regime in favor of a lower charging regime, for which the limit value of the predetermined characteristic quantity is higher than the limit value associated with the current charging regime. In addition, the evaluation of the state of health of the battery cell allows the degradation of the performance of the battery cell to be taken into account over time.
Suivant d'autres aspects avantageux de l'invention, le procédé comporte une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles :
- chaque évaluation de l'état de santé courant de l'élément de batterie fourni est mise en oeuvre au cours d'un cycle correspondant ;
- le procédé d'étalonnage comporte le calcul, par régression, d'un modèle mathématique liant la valeur limite de la grandeur caractéristique prédéterminée au régime de charge ;
- le modèle mathématique lie la valeur limite de la grandeur caractéristique prédéterminée au régime de charge, à la capacité surfacique initiale de l'élément de batterie fourni et à l'état de santé de l'élément de batterie fourni ;
- le modèle mathématique est un modèle quadratique de la forme :
- où VALlim est la valeur limite de la grandeur caractéristique prédéterminée ;
- Q0 est la capacité surfacique initiale de l'élément de batterie ;
- H est l'état de santé de l'élément de batterie ;
- C est le régime de charge ;
- log est l'opérateur logarithme décimal ; et
- a0, a1, a2, a3, a13, a23, a11, a22 et a33 des coefficients réels ;
- pour chaque cycle, l'élément de batterie est maintenu à température constante, au moins deux phases de charge étant réalisées à des températures différentes, la valeur limite enregistrée pour chaque phase de charge étant associée à la température correspondante, le modèle mathématique calculé liant la valeur limite de la grandeur caractéristique prédéterminée au régime de charge, à la capacité surfacique initiale de l'élément de batterie fourni, à l'état de santé de l'élément de batterie fourni ainsi qu'à la température de l'élément de batterie fourni ;
- le potentiel de l'anode est calculé à partir de la différence de potentiel entre l'anode et une électrode de référence ;
- l'électrode de référence est une électrode Li+/Li, la valeur limite de la grandeur caractéristique prédéterminée étant atteinte lorsque la différence de potentiel entre l'anode et l'électrode de référence est nulle ;
- la grandeur caractéristique prédéterminée est un état de charge de l'élément de batterie, ou une tension entre une cathode et l'anode de l'élément de batterie.
- each evaluation of the current state of health of the supplied battery cell is carried out during a corresponding cycle;
- the calibration method comprises the calculation, by regression, of a mathematical model linking the limit value of the predetermined characteristic quantity to the load regime;
- the mathematical model links the limit value of the predetermined characteristic quantity to the charging regime, to the initial surface capacity of the supplied battery cell and to the state of health of the supplied battery cell;
- the mathematical model is a quadratic model of the form:
- where VAL lim is the limit value of the predetermined characteristic quantity;
- Q 0 is the initial surface capacity of the battery cell;
- H is the health status of the battery cell;
- This is the charging regime;
- log is the decimal logarithm operator; And
- a 0 , a 1 , a 2 , a 3 , a 13 , a 23 , a 11 , a 22 and a 33 real coefficients;
- for each cycle, the battery cell is maintained at constant temperature, at least two charging phases being carried out at different temperatures, the limit value recorded for each charging phase being associated with the corresponding temperature, the calculated mathematical model linking the limit value of the predetermined characteristic quantity at the charging rate, the initial surface capacity of the supplied battery cell, the state of health of the supplied battery cell as well as the temperature of the battery cell provided ;
- the anode potential is calculated from the potential difference between the anode and a reference electrode;
- the reference electrode is a Li + /Li electrode, the limit value of the predetermined characteristic quantity being reached when the potential difference between the anode and the reference electrode is zero;
- the predetermined characteristic quantity is a state of charge of the battery cell, or a voltage between a cathode and the anode of the battery cell.
En outre, l'invention a pour objet une méthode de charge comportant les étapes de :
- fourniture d'une batterie comprenant au moins un élément de batterie Li-ion appartenant à une famille d'éléments de batterie Li-ion et présentant une capacité surfacique initiale donnée ;
- évaluation d'un état de santé de chaque élément de batterie de la batterie ;
- alimentation de la batterie fournie en énergie électrique, à un régime de charge donné ;
- pour chaque élément de batterie, calcul d'une valeur limite d'une grandeur caractéristique prédéterminée correspondante, pour ladite famille, ladite capacité surfacique initiale, ledit état de santé et ledit régime de charge ;
- pour chaque élément de batterie, calcul de la valeur de la grandeur caractéristique prédéterminée ; et
- détection d'un état limite lorsque, pour au moins un élément de batterie, la valeur de la grandeur caractéristique prédéterminée atteint une fraction prédéterminée de la valeur limite correspondante.
- provision of a battery comprising at least one Li-ion battery element belonging to a family of Li-ion battery elements and having a given initial surface capacity;
- evaluating a health status of each battery cell of the battery;
- supply of the battery supplied with electrical energy, at a given charging regime;
- for each battery element, calculation of a limit value of a corresponding predetermined characteristic quantity, for said family, said initial surface capacity, said state of health and said charging regime;
- for each battery element, calculation of the value of the predetermined characteristic quantity; And
- detection of a limit state when, for at least one battery element, the value of the predetermined characteristic quantity reaches a predetermined fraction of the corresponding limit value.
La valeur limite est obtenue en appliquant le procédé d'étalonnage tel que défini ci-dessus.The limit value is obtained by applying the calibration process as defined above.
Suivant un autre aspect avantageux de l'invention, la méthode de charge comporte une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles :
- la méthode de charge comporte, en outre, la réduction du régime de charge en cas de détection de l'état limite.
- the charging method also includes reducing the charging regime in the event of detection of the limit state.
En outre, l'invention a pour objet un produit programme d'ordinateur comprenant des instructions de code de programme qui, lorsqu'elles sont exécutées par un ordinateur, mettent en oeuvre la méthode de charge telle que définie ci-dessus.Furthermore, the invention relates to a computer program product comprising program code instructions which, when executed by a computer, implement the charging method as defined above.
En outre, l'invention a pour objet un dispositif de charge comportant :
- un circuit d'alimentation configuré pour transmettre de l'énergie électrique à une batterie Li-ion, à un régime de charge donné, depuis une source d'énergie électrique ;
- un calculateur configuré pour :
- évaluer un état de santé de chaque élément de batterie de la batterie ;
- calculer la valeur d'une grandeur caractéristique prédéterminée relative à au moins un élément de batterie de la batterie au cours du temps ;
- détecter un état limite lorsque la valeur de la grandeur caractéristique prédéterminée relative à au moins un élément de batterie atteint une fraction prédéterminée d'une valeur limite, la valeur limite étant fonction d'une famille et d'une capacité surfacique initiale de l'élément de batterie, de l'état de santé évalué et du régime de charge.
- a power circuit configured to transmit electrical energy to a Li-ion battery, at a given charging rate, from an electrical energy source;
- a calculator configured to:
- evaluate a health status of each battery cell of the battery;
- calculate the value of a predetermined characteristic quantity relating to at least one battery cell of the battery over time;
- detect a limit state when the value of the predetermined characteristic quantity relating to at least one battery element reaches a predetermined fraction of a limit value, the limit value being a function of a family and an initial surface capacity of the element battery, assessed state of health and charging regime.
Suivant un autre aspect avantageux de l'invention, le calculateur est, en outre, configuré pour commander la réduction du régime de charge en cas de détection de l'état limite.According to another advantageous aspect of the invention, the computer is, in addition, configured to control the reduction of the charging speed in the event of detection of the limit state.
L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels :
- la
figure 1 est une représentation schématique d'un élément de batterie lithium-ion ; - la
figure 2 est un organigramme illustrant un procédé d'étalonnage selon l'invention ; - la
figure 3 est un organigramme illustrant une étape cyclique du procédé d'étalonnage selon l'invention ; - la
figure 4 est un graphique représentant l'évolution d'un potentiel d'anode d'un élément de batterie Li-ion en fonction de l'état de charge, pour un régime de charge et une capacité surfacique initiale donnés de l'élément de batterie, et pour quatre valeurs distinctes de l'état de santé ; - la
figure 5 est une représentation schématique d'un dispositif de charge selon l'invention ; et - la
figure 6 est un organigramme illustrant le fonctionnement du dispositif de charge de lafigure 5 .
- there
figure 1 is a schematic representation of a lithium-ion battery cell; - there
figure 2 is a flowchart illustrating a calibration method according to the invention; - there
Figure 3 is a flowchart illustrating a cyclical step of the calibration process according to the invention; - there
figure 4 is a graph representing the evolution of an anode potential of a Li-ion battery cell as a function of the state of charge, for a given charging regime and a given initial surface capacity of the battery cell, and for four distinct values of health status; - there
figure 5 is a schematic representation of a charging device according to the invention; And - there
Figure 6 is a flowchart illustrating the operation of the charging device of thefigure 5 .
Un élément de batterie 2 est schématiquement représenté sur la
De façon classique, l'élément de batterie 2 comporte une électrode dite positive, encore appelée « cathode » 4, et une électrode dite négative, encore appelée « anode » 6. La cathode 4 et l'anode 6 sont disposées à distance l'une de l'autre, l'espace entre les électrodes 4, 6 étant occupé par un électrolyte 8.Conventionally, the
L'élément de batterie 2 présente une capacité surfacique Q, généralement exprimée en milliampère heure par centimètre carré (mAh/cm2).The
Par « capacité surfacique », il est entendu la capacité équivalente de la matière active par unité de surface, c'est-à-dire une capacité équivalente obtenue à partir de la capacité représentative des performances de la matière électrochimiquement active (en mAh/g) au sein des électrodes, rapportée à la surface des électrodes et multipliée par la quantité de matière active effectivement présente dans les électrodes (en grammes).By “surface capacity” is meant the equivalent capacity of the active material per unit surface, that is to say an equivalent capacity obtained from the capacity representative of the performance of the electrochemically active material (in mAh/g ) within the electrodes, relative to the surface of the electrodes and multiplied by the quantity of active material actually present in the electrodes (in grams).
Une telle capacité surfacique varie au cours du temps et, plus spécifiquement, décroît, à partir d'une valeur maximale initiale, dite capacité surfacique initiale Q0, au fur et à mesure qu'un état de santé H de l'élément de batterie 2 se dégrade.Such a surface capacity varies over time and, more specifically, decreases, from an initial maximum value, called initial surface capacity Q 0 , as a state of health H of the battery cell increases. 2 is deteriorating.
Un tel état de santé H (en anglais, « state of health ») constitue un indicateur du vieillissement de l'élément de batterie 2. Un tel vieillissement provient, par exemple, d'un dépôt de lithium métallique au niveau de l'anode 6.Such a state of health H (in English, “ state of health ”) constitutes an indicator of the aging of the
Des moyens d'évaluation de l'état de santé H sont, par exemple, décrits dans le documen
L'élément de batterie 2 est tel que, avant la première charge de l'élément de batterie 2, la cathode 4 comporte du lithium. Par exemple, la cathode 4 est réalisée dans un composé comprenant du lithium, tel que LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2.The
De préférence, l'anode 6 comporte des particules de graphite.Preferably, the
De préférence, l'électrolyte 8 est une solution d'un sel de lithium dissous dans un mélange d'alkylcarbonates. Par exemple, le sel de lithium est l'hexafluorophosphate de lithium LiPF6. Par exemple, le mélange d'alkylcarbonates est un mélange de carbonate d'éthylène, de carbonate d'éthyle méthyle et de carbonate de diméthyle.Preferably, the
Le procédé d'étalonnage de la famille à laquelle appartient l'élément de batterie 2 est décrit en référence à la
Une pluralité d'éléments de batterie 2 de la même famille est fournie. Au moins deux éléments de batterie 2 de la famille présentent une capacité surfacique initiale Q0 différente et un état de santé H différent.A plurality of
Au cours d'une étape d'initialisation 10, un élément de batterie 2 est choisi parmi la pluralité d'éléments de batterie 2. L'état de santé H de l'élément de batterie 2 choisi est évalué, c'est-à-dire calculé. En variante, l'état de santé H est évalué au cours de chaque étape cyclique 12 décrite ultérieurement.During an
L'élément de batterie 2 choisi est initialement déchargé.The chosen
L'élément de batterie 2 choisi est ensuite relié à un dispositif d'étalonnage (non représenté).The chosen
L'étape suivant l'étape d'initialisation 10 est une étape cyclique 12, telle que décrite ultérieurement.The step following the
Avantageusement, au cours de chaque étape cyclique 12, le dispositif d'étalonnage maintient constante la température de l'élément de batterie 2.Advantageously, during each
De préférence, le dispositif d'étalonnage est configuré pour mettre en oeuvre l'étape cyclique 12 suivant un nombre d'itérations prédéterminé. Dans ce cas, pour au moins deux mises en oeuvre distinctes de l'étape cyclique 12, les températures correspondantes sont, de préférence, différentes.Preferably, the calibration device is configured to implement
En outre, dans ce même cas où le dispositif d'étalonnage est configuré pour mettre en oeuvre l'étape cyclique 12 suivant un nombre d'itérations prédéterminé, l'étape suivant chaque étape cyclique 12 est une étape de test 14.Furthermore, in this same case where the calibration device is configured to implement the
Durant l'étape de test 14, le dispositif d'étalonnage détermine si le nombre de fois aux cours desquelles l'étape cyclique 12 a été mise en oeuvre a atteint le nombre d'itérations prédéterminé.During the
Si, au cours de l'étape de test 14, le dispositif d'étalonnage détermine que l'étape cyclique 12 a été mise en oeuvre un nombre de fois strictement inférieur au nombre d'itérations prédéterminé, alors l'étape suivant l'étape de test 14 est une nouvelle étape cyclique 12. Si, au cours de l'étape de test 14, le dispositif d'étalonnage détermine que l'étape cyclique 12 a été mise en oeuvre un nombre de fois égal au nombre d'itérations prédéterminé, alors l'étape suivant l'étape de test 14 est une étape de calcul 16.If, during the
Au cours d'une étape cyclique 12 quelconque donnée, le dispositif d'étalonnage soumet l'élément de batterie 2 à un nombre prédéterminé de cycles comprenant chacun une phase de charge 12.1 et une phase de décharge 12.2 de l'élément de batterie 2, comme illustré par la
A l'issue de chaque cycle, le dispositif d'étalonnage détermine, au cours d'une phase de contrôle 12.3, si le nombre de cycles réalisés a atteint le nombre prédéterminé de cycles. Si le nombre de cycles réalisés est strictement inférieur au nombre prédéterminé de cycles, alors un nouveau cycle comprenant une phase de charge 12.1 et une phase de décharge 12.2 est mis en oeuvre.At the end of each cycle, the calibration device determines, during a control phase 12.3, whether the number of cycles carried out has reached the predetermined number of cycles. If the number of cycles carried out is strictly less than the predetermined number of cycles, then a new cycle comprising a charging phase 12.1 and a discharging phase 12.2 is implemented.
Si le nombre de cycles réalisés atteint le nombre prédéterminé de cycles, alors l'étape cyclique 12 est suivie de l'étape de test 14.If the number of cycles performed reaches the predetermined number of cycles, then
Durant chaque phase de charge 12.1, le dispositif d'étalonnage alimente l'élément de batterie 2 en énergie électrique à un régime de charge constant prédéterminé.During each charging phase 12.1, the calibration device supplies the
Par « régime de charge », il est entendu, au sens de la présente invention, un courant électrique calculé à partir du courant constant maximal qu'une batterie ou qu'un élément de batterie 2 est susceptible de débiter en une heure. Par exemple, pour un élément de batterie susceptible de débiter 1000 mA (milliampère) en une heure, le régime de charge 1C correspond à un courant de 1000 mA, le régime de charge C/10 correspond à un courant électrique de 100 mA, le régime de charge 3C correspond à un courant électrique de 3000 mA, etc.By “charging regime” is meant, within the meaning of the present invention, an electric current calculated from the maximum constant current that a battery or that a
De préférence, pour chaque phase de charge 12.1 d'une même étape cyclique 12, le dispositif d'étalonnage charge l'élément de batterie 2 à un régime de charge supérieur au régime de charge associé à la phase de charge 12.1 précédente. Par exemple, le régime de charge vaut successivement C/10, puis C/2, puis 0,75C, puis 1C, puis 1,25C, puis 1,5C, puis 2C, puis 3C, puis 5C.Preferably, for each charging phase 12.1 of the same
En outre, le dispositif d'étalonnage mesure, durant chaque phase de charge 12.1 de l'étape cyclique 12, la tension aux bornes de l'élément de batterie 2.In addition, the calibration device measures, during each charging phase 12.1 of
En outre, durant chaque phase de charge 12.1, le dispositif d'étalonnage mesure le potentiel de l'anode 6 de l'élément de batterie 2. Un tel potentiel de l'anode 6 décroît généralement avec l'accroissement d'un état de charge S de l'élément de batterie 2, tel que défini ultérieurement.In addition, during each charging phase 12.1, the calibration device measures the potential of the
De préférence, le dispositif d'étalonnage calcule le potentiel de l'anode 6 à partir d'une mesure de différence de potentiel entre l'anode 6 et une électrode de référence présentant un potentiel fixe au cours du temps, par exemple une électrode au lithium Li+/Li classiquement connue.Preferably, the calibration device calculates the potential of the
En outre, au cours de chaque phase de charge 12.1, le dispositif d'étalonnage calcule l'état de charge S de l'élément de batterie 2.In addition, during each charging phase 12.1, the calibration device calculates the state of charge S of the
L'état de charge S à un instant donné de l'étape cyclique 12 est un pourcentage défini comme le résultat de la division de la capacité de l'élément de batterie 2 à l'instant considéré, par la capacité maximale de l'élément de batterie 2 à l'issue de la phase de charge associée au régime de charge le plus faible de l'étape cyclique 12, multiplié par 100, comme cela ressort de la formule (1) :
- où S(t) est l'état de charge à un instant t donné ;
- q(t) est la capacité de l'élément de batterie 2 à l'instant t considéré ; et
- qmax est la capacité maximale de l'élément de batterie 2 à l'issue de la phase de charge associée au régime de charge le plus faible de l'étape cyclique 12.
- where S(t) is the state of charge at a given time t;
- q(t) is the capacity of
battery cell 2 at the time t considered; And - q max is the maximum capacity of
battery cell 2 at the end of the charging phase associated with the lowest charging regime ofcyclic step 12.
Par exemple, dans le cas où le régime de charge le plus faible durant l'étape cyclique 12 est C/10, qmax est la capacité maximale de l'élément de batterie 2 à l'issue de la phase de charge associée au régime de charge C/10.For example, in the case where the lowest charging regime during the
La capacité q(t) de l'élément de batterie 2 à l'instant t est, par exemple, prise égale à l'intégrale, entre un instant initial prédéterminé et l'instant courant t, de la valeur mesurée du courant circulant à travers l'élément de batterie 2. La valeur de la capacité q(t) est positive. L'instant initial prédéterminé est, par exemple, l'instant auquel débute la phase de charge 12.1.The capacity q(t) of the
L'état de charge S est croissant au cours de la phase de charge 12.1.The state of charge S increases during charging phase 12.1.
L'état de charge S constitue une grandeur caractéristique prédéterminée de l'élément de batterie 2, dont la valeur est représentative de la valeur du potentiel électrique de l'anode 6.The state of charge S constitutes a predetermined characteristic quantity of the
Au cours de chaque phase de charge 12.1, le dispositif d'étalonnage détermine également une valeur limite VALlim de l'état de charge S, pour laquelle la différence de potentiel entre l'anode 6 et l'électrode de référence devient inférieure ou égale à un seuil prédéterminé. Avantageusement, dans le cas où l'électrode de référence est une électrode de référence au lithium, la valeur limite VALlim correspond à une différence de potentiel nulle entre l'anode 6 et l'électrode de référence.During each charging phase 12.1, the calibration device also determines a limit value VAL lim of the state of charge S, for which the potential difference between the
Le dispositif d'étalonnage enregistre la valeur limite VALlim, la valeur limite VALlim étant associée à la famille de l'élément de batterie 2 choisi, à la capacité surfacique initiale Q0 de l'élément de batterie 2 choisi, à l'état de santé H de l'élément de batterie 2 choisi et au régime de charge de la phase de charge 12.1 considérée. De préférence, si les étapes cycliques 12 sont mises en oeuvre à des températures respectives différentes, la valeur limite VALlim enregistrée est également associée à la température respective à laquelle l'élément de batterie 2 choisi est maintenu durant chaque étape cyclique 12.The calibration device records the limit value VAL lim , the limit value VAL lim being associated with the family of the chosen
A titre d'exemple, le graphique de la
La courbe 41 (pointillés) illustre l'évolution du potentiel d'anode en fonction de l'état de charge S, lorsque l'élément de batterie 2 présente un état de santé de 100%.Curve 41 (dotted lines) illustrates the evolution of the anode potential as a function of the state of charge S, when the
La courbe 42 (trait plein épais) illustre l'évolution du potentiel d'anode en fonction de l'état de charge S, lorsque l'élément de batterie 2 présente un état de santé de 90%.Curve 42 (thick solid line) illustrates the evolution of the anode potential as a function of the state of charge S, when the
La courbe 43 (trait plein fin) illustre l'évolution du potentiel d'anode en fonction de l'état de charge S, lorsque l'élément de batterie 2 présente un état de santé de 80%.Curve 43 (thin solid line) illustrates the evolution of the anode potential as a function of the state of charge S, when the
La courbe 44 (tirets) illustre l'évolution du potentiel d'anode en fonction de l'état de charge S, lorsque l'élément de batterie 2 présente un état de santé de 60%.Curve 44 (dashed lines) illustrates the evolution of the anode potential as a function of the state of charge S, when the
Il apparaît que, pour une température et une capacité surfacique initiale Q0 donnés, la valeur limite VALlim de l'état de charge S, c'est-à-dire la valeur de l'état de charge S pour laquelle le potentiel d'anode s'annule, est d'autant plus faible que l'état de santé H de l'élément de batterie 2 est faible.It appears that, for a given temperature and initial surface capacity Q 0 , the limit value VAL lim of the state of charge S, that is to say the value of the state of charge S for which the potential d The anode cancels out, is all the weaker as the state of health H of the
Le dispositif d'étalonnage met fin à chaque phase de charge 12.1 lorsqu'une condition prédéterminée est remplie. Par exemple, le dispositif d'étalonnage met fin à chaque phase de charge 12.1 lorsque la tension aux bornes de l'élément de batterie 2 atteint une tension maximale prédéterminée.The calibration device ends each charging phase 12.1 when a predetermined condition is met. For example, the calibration device ends each charging phase 12.1 when the voltage across the
Durant chaque phase de décharge 12.2, le dispositif d'étalonnage prélève de l'énergie électrique à l'élément de batterie 2, à un régime de charge prédéterminé.During each discharge phase 12.2, the calibration device takes electrical energy from the
Par exemple, le dispositif d'étalonnage prélève de l'énergie à l'élément de batterie 2 à un régime de charge identique pour toutes les phases de décharge 12.2 de l'étape cyclique 12, par exemple un régime de charge valant C/10.For example, the calibration device takes energy from the
Le dispositif d'étalonnage met fin à chaque phase de décharge 12.2 lorsqu'une condition prédéterminée est remplie. Par exemple, le dispositif d'étalonnage met fin à la phase de décharge 12.2 lorsque la tension aux bornes de l'élément de batterie 2 atteint une tension minimale prédéterminée, strictement inférieure à la tension maximale prédéterminée.The calibration device ends each discharge phase 12.2 when a predetermined condition is met. For example, the calibration device ends the discharge phase 12.2 when the voltage across the
Les tensions minimale et maximale prédéterminées dépendent notamment de la nature des matériaux présents au sein de l'élément de batterie 2.The predetermined minimum and maximum voltages depend in particular on the nature of the materials present within the
Les tensions minimale et maximale prédéterminées sont choisies de sorte à atteindre un état de lithiation limite permettant de préserver la structure d'insertion des matériaux mis en oeuvre dans l'élément de batterie 2.The predetermined minimum and maximum voltages are chosen so as to reach a limit lithiation state making it possible to preserve the insertion structure of the materials used in the
En outre, l'électrolyte 8 est choisi pour être stable au moins entre la tension minimale et la tension maximale prédéterminées.In addition, the
Par exemple, les tensions minimale et maximale prédéterminées pour un élément de batterie Gr/NMC (c'est-à-dire graphite/LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2) connu valent respectivement 2,7 V et 4,2 V. Selon un autre exemple, les tensions minimale et maximale prédéterminées pour un élément de batterie Gr/LFP (c'est-à-dire graphite/LiFePO4) connu valent respectivement 2,0 V et 3,6 V.For example, the predetermined minimum and maximum voltages for a known Gr/NMC (i.e. graphite/LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 ) battery cell are respectively 2.7 V and 4.2 V. According to another example, the minimum and maximum predetermined voltages for a known Gr/LFP (i.e. graphite/LiFePO 4 ) battery cell are respectively 2.0 V and 3.6 V.
De préférence, au moins une phase de charge 12.1 ou au moins une phase de décharge 12.2 de l'étape cyclique 12 est suivie d'une phase stationnaire 12.4. Durant chaque phase stationnaire 12.4, aucun échange d'énergie électrique ne se produit entre le dispositif d'étalonnage et l'élément de batterie 2. Chaque phase stationnaire présente une durée prédéterminée, par exemple 30 minutes.Preferably, at least one charging phase 12.1 or at least one discharging phase 12.2 of the
Avantageusement, une fois que l'étape d'initialisation 10 et la pluralité d'étapes cycliques 12 ont été mises en oeuvre pour l'élément de batterie 2, l'étape d'initialisation 10 et la pluralité d'étapes cycliques 12 sont mises en oeuvre pour un autre élément de batterie 2 parmi la pluralité d'éléments de batterie 2 de la même famille qui a été initialement fournie.Advantageously, once the
Dans ce cas, le dispositif d'étalonnage utilise les valeurs limites VALlim obtenues pour divers régimes de charge, différentes capacités surfaciques initiales d'éléments de batterie 2 et différents états de santé pour calculer, par régression, les paramètres d'un modèle mathématique liant la valeur limite VALlim au régime de charge, à la capacité surfacique initiale Q0 de l'élément de batterie 2 et à l'état de santé de l'élément de batterie 2.In this case, the calibration device uses the VAL lim limit values obtained for various charging regimes, different initial surface capacities of
Par exemple, le modèle est un modèle quadratique de la forme :
- où VALlim est la valeur limite de l'état de charge S, exprimée en pourcent ;
- Q0 est la capacité surfacique initiale de l'élément de batterie 2, exprimée en milliampère heure par centimètre carré ;
- H est l'état de santé de l'élément de batterie 2, exprimé en pourcent ;
- C est le régime de charge ;
- log est l'opérateur logarithme décimal ; et
- a0, a1, a2, a3, a12, a23, a11, a22 et a33 sont des coefficients réels obtenus par régression et dépendant de la famille de batteries étalonnée.
- where VAL lim is the limit value of the state of charge S, expressed in percent;
- Q 0 is the initial surface capacity of
battery cell 2, expressed in milliampere hours per square centimeter; - H is the health status of
battery cell 2, expressed in percent; - This is the charging regime;
- log is the decimal logarithm operator; And
- a 0 , a 1 , a 2 , a 3 , a 12 , a 23 , a 11 , a 22 and a 33 are real coefficients obtained by regression and depending on the calibrated battery family.
Par exemple, à partir des données ayant permis de construire les courbes de la
De préférence, si l'étape cyclique 12 est mise en oeuvre à différentes températures, de sorte que la valeur limite VALlim prend des valeurs associées à des températures différentes, le dispositif d'étalonnage utilise les valeurs limites VALlim obtenues pour diverses températures, divers régimes de charge, différentes capacités surfaciques initiales d'éléments de batterie 2 et différents états de santé pour calculer, par régression, les paramètres d'un modèle mathématique liant la valeur limite VALlim au régime de charge, à la température de l'élément de batterie 2, à la capacité surfacique initiale Q0 de l'élément de batterie 2 et à l'état de santé de l'élément de batterie 2.Preferably, if the
En variante, durant la mise en oeuvre du procédé d'étalonnage, la grandeur caractéristique prédéterminée choisie est la tension U entre la cathode 4 et l'anode 6 de l'élément de batterie 2 choisi. En d'autres termes, la tension U est prise comme grandeur dont la valeur est représentative de la valeur du potentiel électrique de l'anode 6.Alternatively, during the implementation of the calibration process, the predetermined characteristic quantity chosen is the voltage U between the
Dans ce cas, la mise en oeuvre du procédé d'étalonnage diffère de la mise en oeuvre précédemment décrite en ce que suit.In this case, the implementation of the calibration method differs from the implementation previously described in the following.
Au cours de chaque phase de charge 12.1, le dispositif d'étalonnage ne calcule pas l'état de charge S de l'élément de batterie 2, mais mesure la tension U entre les électrodes 4, 6 de l'élément de batterie 2. La tension U est croissante au cours de la phase de charge 12.1.During each charging phase 12.1, the calibration device does not calculate the state of charge S of the
En outre, au cours de chaque phase de charge 12.1, le dispositif d'étalonnage détermine une valeur limite VALlim de la tension U pour laquelle la différence de potentiel entre l'anode 6 et l'électrode de référence devient inférieure ou égale à un seuil prédéterminé.In addition, during each charging phase 12.1, the calibration device determines a limit value VAL lim of the voltage U for which the potential difference between the
En outre, au cours de chaque phase de charge 12.1, le dispositif d'étalonnage enregistre la valeur limite VALlim de la tension U, la valeur limite VALlim étant associée à la famille de l'élément de batterie 2 choisi, à la capacité surfacique initiale de l'élément de batterie 2 choisi, à l'état de santé de l'élément de batterie choisi et au régime de charge de la phase de charge 12.1 considérée.In addition, during each charging phase 12.1, the calibration device records the limit value VAL lim of the voltage U, the limit value VAL lim being associated with the family of the
En outre, le dispositif d'étalonnage utilise les limite VALlim de la tension U obtenues pour divers régimes de charge et différentes capacités surfaciques initiales et différents états de santé d'éléments de batterie pour calculer, par régression, les paramètres d'un modèle mathématique liant la valeur limite VALlim de la tension U au régime de charge et à la capacité surfacique initiale Q0 et à l'état de santé H de l'élément de batterie 2.Furthermore, the calibration device uses the VAL lim limits of the voltage U obtained for various charging regimes and different initial surface capacities and different health states of battery cells to calculate, by regression, the parameters of a model mathematical linking the limit value VAL lim of the voltage U to the charging regime and to the initial surface capacity Q 0 and to the state of health H of the
Par exemple, le modèle est un modèle quadratique de la forme :
- où VALlim est la valeur limite de la tension, exprimée en volt ;
- Q0 est la capacité surfacique initiale de l'élément de batterie 2, exprimée en milliampère heure par centimètre carré ;
- C est le régime de charge ;
- H est l'état de santé de l'élément de batterie 2, exprimé en pourcent ;
- log est l'opérateur logarithme décimal ; et
- b0, b1, b2, b3, b13, b23, b11, b22 et b33 sont des coefficients réels obtenus par régression et dépendant de la famille de batteries étalonnée.
- where VAL lim is the voltage limit value, expressed in volts;
- Q 0 is the initial surface capacity of
battery cell 2, expressed in milliampere hours per square centimeter; - This is the charging regime;
- H is the health status of
battery cell 2, expressed in percent; - log is the decimal logarithm operator; And
- b 0 , b 1 , b 2 , b 3 , b 13 , b 23 , b 11, b 22 and b 33 are real coefficients obtained by regression and depending on the calibrated battery family.
De préférence, si l'étape cyclique 12 est mise en oeuvre à différentes températures, de sorte que la valeur limite VALlim de la tension U prend des valeurs associées à des températures différentes, le dispositif d'étalonnage utilise les valeurs limites VALlim obtenues pour diverses températures, divers régimes de charge, différentes capacités surfaciques initiales d'éléments de batterie 2 et différents états de santé pour calculer, par régression, les paramètres d'un modèle mathématique liant la valeur limite VALlim de la tension au régime de charge, à la température de l'élément de batterie 2, à la capacité surfacique initiale Q0 de l'élément de batterie 2 et à l'état de santé H de l'élément de batterie 2.Preferably, if the
Un dispositif de charge 20 selon l'invention, relié à une batterie 200 à charger, est représenté sur la
La batterie 200 est obtenue par mise en série et/ou en parallèle d'éléments de batterie 2 identiques.The
Le dispositif de charge 20 comporte un circuit d'alimentation 22 et un calculateur 26.The charging
De préférence, le dispositif de charge 20 comporte également au moins un capteur de température 24, chaque capteur de température 24 étant configuré pour mesurer la température de la batterie 200.Preferably, the charging
Le circuit d'alimentation 22 est configuré pour transmettre de l'énergie électrique à la batterie 200, depuis une source d'énergie électrique 28. Plus précisément, le circuit d'alimentation 22 est configuré pour transmettre de l'énergie électrique à la batterie 200 à un régime de charge prédéterminé.The
Le calculateur 26 est configuré pour calculer la valeur de la grandeur caractéristique prédéterminée relative à chaque élément de batterie 2 de la batterie 200 au cours du temps. Par exemple, le calculateur 26 est configuré pour calculer l'état de charge de chaque élément de batterie 2 de la batterie 200 au cours du temps. En variante, le calculateur 26 est configuré pour calculer la tension entre les électrodes 4, 6 de chaque élément de batterie 2 de la batterie 200 au cours du temps.The
Le calculateur 26 est également configuré pour stocker, pour au moins une famille d'éléments de batterie 2, le modèle de la valeur limite VALlim, pour la grandeur caractéristique prédéterminée, qui a été obtenu selon le procédé d'étalonnage tel que décrit précédemment.The
Le calculateur 26 est également configuré pour évaluer l'état de santé H de chaque élément de batterie 2 de la batterie 200.The
En outre, le calculateur 26 est configuré pour calculer la valeur limite VALlim de la grandeur caractéristique prédéterminée choisie pour chaque élément de batterie 2 de la batterie 200 à charger, en fonction de la famille des éléments de batterie 2, de la capacité surfacique initiale des éléments de batterie 2, de l'état de santé H évalué pour chaque élément de batterie 2 et du régime de charge suivant lequel le circuit d'alimentation 22 fournit de l'énergie électrique à la batterie 200.In addition, the
En outre, le calculateur 26 est configuré pour détecter une situation, dite « état limite », dans laquelle la valeur de la grandeur caractéristique prédéterminée relative à au moins un élément de batterie 2 atteint une fraction prédéterminée de la valeur limite VALlim correspondante.Furthermore, the
Le calculateur 26 est également configuré pour commander le régime de charge suivant lequel le circuit d'alimentation 22 fournit de l'énergie électrique à la batterie 200.The
En particulier, le calculateur 26 est configuré pour commander, en cas de détection de l'état limite, la réduction du régime de charge suivant lequel le circuit d'alimentation 22 fournit de l'énergie électrique à la batterie 200.In particular, the
La charge de la batterie 200 au moyen du dispositif de charge 20 est décrite en référence à la
Au cours d'une étape de configuration 30, une batterie 200 comprenant des éléments de batterie 2 identiques d'une famille de batteries Li-ion donnée, et présentant une capacité surfacique initiale Q0 et un état de santé H donnés, est fournie.During a
Un opérateur renseigne l'architecture de la batterie 200 dans le dispositif de charge 20. En particulier, l'opérateur renseigne la façon dont les éléments de batterie 2 de la batterie 200 sont connectés entre eux.An operator provides information on the architecture of the
L'opérateur renseigne également, dans le dispositif de charge 20, la famille et la capacité surfacique initiale des éléments de batterie 2 de la batterie 200.The operator also informs, in the charging
Puis, le dispositif de charge 20 évalue l'état de santé de chaque élément de batterie 2 de la batterie 200.Then, the charging
Puis, le dispositif de charge 20 charge le modèle mathématique de la charge limite VALlim pour la famille correspondant aux éléments de batterie 2 de la batterie 200.Then, the charging
En variante, le dispositif de charge 20 est destiné à charger des batteries 200 prédéterminées, comportant des éléments de batterie 2 identiques. Dans ce cas, l'intervention de l'opérateur durant l'étape de configuration 30 n'est pas requise, les informations relatives à la famille et la capacité surfacique initiale des éléments de batterie 2 de la batterie 200, ainsi qu'à l'architecture de la batterie 200, étant préenregistrée dans le dispositif de charge 20.Alternatively, the charging
Selon une autre variante, le dispositif de charge 20 comporte un détecteur (non représenté) configuré pour identifier la batterie 200, c'est-à-dire pour déterminer l'architecture des éléments de batterie 2, ainsi que la famille et la capacité surfacique initiale des éléments de batterie 2 de la batterie 200. Dans ce cas, l'intervention de l'opérateur durant l'étape de configuration 30 n'est pas requise, les informations relatives à la famille et la capacité surfacique initiale des éléments de batterie 2 de la batterie 200, ainsi qu'à l'architecture de la batterie 200, étant préenregistrée dans le dispositif de charge 20.According to another variant, the charging
Puis, au cours d'une étape d'alimentation 32, le circuit d'alimentation 22 fournit de l'énergie électrique à la batterie 200, à un régime de charge donné.Then, during a
En outre, au cours de l'étape d'alimentation 32, chaque capteur de température 24 mesure, de préférence, la température de la batterie 200.Furthermore, during the
Durant l'étape d'alimentation 32, le calculateur 26 calcule l'état de charge limite VALlim pour la famille et la capacité surfacique initiale des éléments de batterie 2, de l'état de santé de chaque élément de batterie 2 et du régime de charge suivant lequel le circuit d'alimentation 22 fournit de l'énergie électrique à la batterie 200. Avantageusement, le calculateur 26 prend également en compte la température mesurée par chaque capteur de température 24, s'il est présent, pour le calcul de l'état de charge limite VALlim.During the
En outre, au cours de l'étape d'alimentation 32, le calculateur 26 calcule l'état de charge de chaque élément de batterie 2.In addition, during the
Si l'état de charge d'un élément de batterie 2 de la batterie 200 atteint la fraction prédéterminée de la valeur limite VALlim pour l'état de charge S, alors le calculateur 26 détecte un état limite.If the state of charge of a
En variante, le calculateur 26 calcule la tension entre les électrodes 4, 6 de chaque élément de batterie 2. Dans ce cas, si la tension entre les électrodes d'un élément de batterie 2 de la batterie 200 atteint la fraction prédéterminée de la valeur limite VALlim pour la tension U, alors le calculateur 26 détecte un état limite.Alternatively, the
En variante, le calculateur 26 évalue l'état de santé de chaque élément de batterie 2 tout au long de l'étape d'alimentation 32, la valeur de l'état de charge limite (ou la tension limite) étant mise à jour, au cours du temps, avec l'évolution de l'état de santé.Alternatively, the
De préférence, en cas de détection d'un état limite, au cours d'une étape de reconfiguration 34 successive à l'étape d'alimentation, le calculateur 26 commande au circuit d'alimentation 22 de sélectionner un nouveau régime de charge distinct du régime de charge de l'étape d'alimentation 32 précédente, de préférence strictement inférieur au régime de charge de l'étape d'alimentation 32 précédente.Preferably, in the event of detection of a limit state, during a
Par exemple, dans le cas où la grandeur caractéristique prédéterminée est l'état de charge S, au cours de l'étape de reconfiguration 34, le calculateur 26 commande au circuit d'alimentation 22 de sélectionner un nouveau régime de charge strictement inférieur au régime de charge de l'étape d'alimentation 32 précédente.For example, in the case where the predetermined characteristic quantity is the state of charge S, during the
L'étape successive à l'étape de reconfiguration 34 est l'étape d'alimentation 32, le circuit d'alimentation 22 fournissant de l'énergie électrique à la batterie 200 suivant le nouveau régime de charge.The step successive to the
Claims (14)
- Method for calibrating a family of Li-ion battery elements (2), characterised in that it includes the steps of:- providing a battery element (2) of the family, the battery element (2) having a corresponding given initial surface area capacity;- at least one evaluation of a current state of health of the battery element (2) supplied;- for the battery element (2) supplied, implementing a plurality of successive cycles, each comprising a charging phase (12.1) and a discharging phase (12.2), at least two charging phases (12.1) being carried out at different charging rates;- for each charging phase:• measuring an electrical potential of an anode (6) of the battery element (2) supplied;• calculating the value of a predetermined characteristic variable of the battery element (2);• determining a limit value of the predetermined characteristic variable for which the potential of the anode (6) becomes less than or equal to a predetermined threshold;• recording, in a memory, the limit value for said family the said initial surface area capacity, the charging rate of said charging phase (12.1) and the evaluated state of health.
- Calibration method according to claim 1, wherein each evaluation of the current state of health of the battery element (2) supplied is carried out during a corresponding cycle.
- Calibration method according to claim 1 or 2, including calculating, by regression, a mathematical model relating the limit value of the predetermined characteristic variable to the charging rate.
- Calibration method according to claim 3, wherein the mathematical model relates the limit value of the predetermined characteristic variable to the charging rate, to the initial surface area capacity of the battery element (2) supplied and to the state of health of the battery element (2) supplied.
- Calibration method according to claim 4, wherein the mathematical model is a quadratic model of the form:where VALlim is the limit value of the predetermined characteristic variable;Q0 is the initial surface area capacity of the battery element (2);H is the state of health of the battery element (2);C is the charging rate;log is the decimal logarithm operator; anda0, a1, a2, a3, a13, a23, a11, a22 and a33 are real coefficients.
- Calibration method according to claim 4, wherein, for each cycle, the battery element (2) is kept at a constant temperature, at least two charging phases (12.1) being carried out at different temperatures,the limit value recorded for each charging phase being associated with the corresponding temperature,the calculated mathematical model relating the limit value of the predetermined characteristic variable to the charging rate, to the initial surface area capacity of the battery element (2) supplied, to the state of health of the battery element (2) supplied as well as to the temperature of the battery element (2) supplied.
- Calibration method according to any one of claims 1 to 6, wherein the potential of the anode (6) is calculated from the potential difference between the anode (6) and a reference electrode.
- Calibration method according to claim 7, wherein the reference electrode is an Li + /Li electrode, the limit value of the predetermined characteristic variable being reached when the potential difference between the anode (6) and the reference electrode is zero.
- Calibration method according to any one of claims 1 to 8, wherein the predetermined characteristic variable is a state of charge of the battery element (2), or a voltage between a cathode (4) and the anode (6) of the battery element (2).
- Charging method including the steps of:- providing a battery (200) comprising at least one Li-ion battery element (2) belonging to a family of Li-ion battery cells and having a given initial surface area capacity;- evaluating a state of health of each battery element (2) of the battery (200);- supplying the battery (200) supplied with electrical energy at a given charging rate;- for each battery element (2), calculating a limit value of a corresponding predetermined characteristic variable, for said family, said initial surface area capacity, said state of health and said charging rate;- for each battery element (2), calculating the value of the predetermined characteristic variable; and- detecting a limit state when, for at least one battery element (2), the value of the predetermined characteristic variable reaches a predetermined fraction of the corresponding limit value,wherein the limit value is obtained by applying the calibration method according to any one of claims 1 to 9.
- Method according to claim 10, further including reducing the charging rate on detection of the limit state.
- Computer program product comprising program code instructions which, when executed on a computer, implement the steps of evaluating, calculating the limit value, calculating the value of the predetermined characteristic variable and detecting the method according to claim 10.
- Charging device including:- a supply circuit configured to transmit electrical energy to an Li-ion battery (200), at a given charging rate, from a source (28) of electrical energy;- a computer (26) configured to:• evaluate a state of health of each battery element (2) of the battery (200);• calculate the value of a predetermined characteristic variable relating to at least one battery element (2) of the battery (200) over time;• detect a limit state when the value of the predetermined characteristic variable relating to at least one battery element (2) reaches a predetermined fraction of a limit value, the limit value being a function of a family and an initial surface area capacity of the battery element (2), the evaluated state of health and the charging rate.
- Device according to claim 13, wherein the computer (26) is further configured to control the reduction of the charging rate in the event of detection of the limit state.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FR1900018A FR3091353B1 (en) | 2019-01-02 | 2019-01-02 | Method for calibrating a family of lithium-ion battery cells, charging method, computer program product and associated charging device |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
EP3678255A1 EP3678255A1 (en) | 2020-07-08 |
EP3678255B1 true EP3678255B1 (en) | 2024-05-29 |
Family
ID=66676800
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
EP19219728.3A Active EP3678255B1 (en) | 2019-01-02 | 2019-12-26 | Method for calibrating a family of lithium-ion battery elements, charging method, associated computer program product and charging device |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
EP (1) | EP3678255B1 (en) |
FR (1) | FR3091353B1 (en) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113281656B (en) * | 2021-05-20 | 2023-05-09 | 北京现代汽车有限公司 | Method and device for determining battery health |
CN114527172B (en) * | 2022-02-21 | 2024-05-03 | 蜂巢能源科技股份有限公司 | Evaluation method for stability of battery anode material |
Family Cites Families (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
AU2005213420B2 (en) | 2004-02-06 | 2010-10-21 | A123 Systems Llc | Lithium secondary cell with high charge and discharge rate capability |
US9698451B2 (en) * | 2011-07-06 | 2017-07-04 | Apple Inc. | Using reference electrodes to manage batteries for portable electronic devices |
DE102013007011A1 (en) * | 2013-04-23 | 2014-10-23 | Daimler Ag | A method for charging a lithium-ion battery and a system with a lithium-ion battery and a battery management system |
DE102016007479A1 (en) * | 2016-06-18 | 2017-02-09 | Daimler Ag | Method and device for charging a battery cell and method for providing a charging current intensity map |
EP3520159B1 (en) * | 2016-10-03 | 2023-04-12 | CPS Technology Holdings LLC | State of charge dependent plating estimation and prevention |
US10985590B2 (en) * | 2016-11-01 | 2021-04-20 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Method and apparatus for charging battery |
-
2019
- 2019-01-02 FR FR1900018A patent/FR3091353B1/en active Active
- 2019-12-26 EP EP19219728.3A patent/EP3678255B1/en active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
EP3678255A1 (en) | 2020-07-08 |
FR3091353B1 (en) | 2021-01-29 |
FR3091353A1 (en) | 2020-07-03 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11462780B2 (en) | Charge/discharge control apparatus, condition-of-use creation apparatus, non-transitory computer readable medium, and power storage system | |
Baghdadi et al. | State of health assessment for lithium batteries based on voltage–time relaxation measure | |
EP3443370B1 (en) | Method for determining the value of parameters relating to the state of an accumulator of a battery, battery and electronic battery management system | |
EP2944970B1 (en) | Method for estimating the state of health of a battery cell | |
EP2666204B1 (en) | Method for estimating the self-discharge of a lithium battery | |
WO2015049300A1 (en) | Method and apparatus for evaluating the state of health of a lithium battery | |
EP3276364B1 (en) | Method for determining the state of health of the cells of a battery | |
FR2987703A1 (en) | METHOD AND SYSTEM FOR ESTIMATING THE CHARGING STATE OF A LITHIUM ELECTROCHEMICAL ELEMENT COMPRISING A POSITIVE ELECTRODE OF LITHIUM PHOSPHATE TYPE | |
EP3678255B1 (en) | Method for calibrating a family of lithium-ion battery elements, charging method, associated computer program product and charging device | |
US11740297B2 (en) | Methods and systems for diagnosis of failure mechanisms and for prediction of lifetime of metal batteries | |
FR3105434A1 (en) | Determination of the aging of an electrical storage system | |
EP4038399A1 (en) | Method for determining the state of health of a lithium-ion battery | |
EP3667345A1 (en) | Method for determining the state of health of the cells of a battery | |
EP3671243B1 (en) | Method for determining the state of health of the cells of a battery | |
KR20240034209A (en) | Early Life Diagnosis for Fast Battery Formation Protocols and Its Impact on Long-Term Aging | |
EP3824305B1 (en) | Method and device for determining a maximum duration of use of a battery | |
EP4081817B1 (en) | Method for identifying the start of the acceleration of the degradation of the state of health of a pack of rechargeable batteries | |
FR3013361A1 (en) | METHOD FOR IN-SITU RECALIBRATION OF AN INTEGRATED COMPARISON ELECTRODE WITHIN AN ELECTROCHEMICAL SYSTEM | |
FR3068829A1 (en) | METHOD FOR CALIBRATING A FAMILY OF LITHIUM-ION BATTERY ELEMENTS, CHARGING METHOD, COMPUTER PROGRAM PRODUCT, AND RELATED CHARGING DEVICE | |
EP2697859B1 (en) | Method for optimally charging an electrochemical battery | |
EP3999864B1 (en) | Method for determining the state of charge of the cells of a battery | |
EP3894877B1 (en) | Method for determining the state of health of the cells of a battery | |
FR2997504A3 (en) | Method for managing capacity of lithium battery utilized in refillable electrical energy production system of car, involves transmitting control signal towards electric connection unit of lithium source and electrode to regenerate electrode | |
EP4127749A1 (en) | Method for determining the lifetime of an electrochemical element of a battery in real time | |
EP4386403A1 (en) | Method and device for determining a stress profile representing the future use of a battery for a given application |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PUAI | Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase |
Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012 |
|
STAA | Information on the status of an ep patent application or granted ep patent |
Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE |
|
17P | Request for examination filed |
Effective date: 20191226 |
|
AK | Designated contracting states |
Kind code of ref document: A1 Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR |
|
AX | Request for extension of the european patent |
Extension state: BA ME |
|
RIN1 | Information on inventor provided before grant (corrected) |
Inventor name: CHANDESRIS, MARION Inventor name: SICSIC, DAVID Inventor name: ALIAS, MELANIE Inventor name: PILIPILI MATADI, BRAMY Inventor name: MARTINET, SEBASTIEN Inventor name: GENIES, SYLVIE |
|
RIN1 | Information on inventor provided before grant (corrected) |
Inventor name: CHANDESRIS, MARION Inventor name: GENIES, SYLVIE Inventor name: PILIPILI MATADI, BRAMY Inventor name: MARTINET, SEBASTIEN Inventor name: SICSIC, DAVID Inventor name: ALIAS, MELANIE |
|
STAA | Information on the status of an ep patent application or granted ep patent |
Free format text: STATUS: EXAMINATION IS IN PROGRESS |
|
17Q | First examination report despatched |
Effective date: 20211217 |
|
P01 | Opt-out of the competence of the unified patent court (upc) registered |
Effective date: 20230530 |
|
GRAP | Despatch of communication of intention to grant a patent |
Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNIGR1 |
|
STAA | Information on the status of an ep patent application or granted ep patent |
Free format text: STATUS: GRANT OF PATENT IS INTENDED |
|
RIC1 | Information provided on ipc code assigned before grant |
Ipc: G01R 31/385 20190101ALN20231130BHEP Ipc: H01M 10/0525 20100101ALN20231130BHEP Ipc: G01R 31/392 20190101ALI20231130BHEP Ipc: G01R 31/367 20190101ALI20231130BHEP Ipc: H02J 7/00 20060101ALI20231130BHEP Ipc: H01M 10/48 20060101ALI20231130BHEP Ipc: H01M 10/42 20060101AFI20231130BHEP |
|
INTG | Intention to grant announced |
Effective date: 20231222 |
|
GRAS | Grant fee paid |
Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNIGR3 |
|
GRAA | (expected) grant |
Free format text: ORIGINAL CODE: 0009210 |
|
STAA | Information on the status of an ep patent application or granted ep patent |
Free format text: STATUS: THE PATENT HAS BEEN GRANTED |
|
AK | Designated contracting states |
Kind code of ref document: B1 Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR |
|
REG | Reference to a national code |
Ref country code: CH Ref legal event code: EP |
|
REG | Reference to a national code |
Ref country code: IE Ref legal event code: FG4D Free format text: LANGUAGE OF EP DOCUMENT: FRENCH |
|
REG | Reference to a national code |
Ref country code: DE Ref legal event code: R096 Ref document number: 602019052865 Country of ref document: DE |
|
REG | Reference to a national code |
Ref country code: LT Ref legal event code: MG9D |
|
REG | Reference to a national code |
Ref country code: NL Ref legal event code: MP Effective date: 20240529 |
|
PG25 | Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo] |
Ref country code: IS Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT Effective date: 20240929 |
|
PG25 | Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo] |
Ref country code: BG Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT Effective date: 20240529 |
|
PG25 | Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo] |
Ref country code: FI Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT Effective date: 20240529 Ref country code: HR Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT Effective date: 20240529 |
|
PG25 | Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo] |
Ref country code: GR Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT Effective date: 20240830 |
|
REG | Reference to a national code |
Ref country code: AT Ref legal event code: MK05 Ref document number: 1691409 Country of ref document: AT Kind code of ref document: T Effective date: 20240529 |
|
PG25 | Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo] |
Ref country code: ES Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT Effective date: 20240529 |
|
PG25 | Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo] |
Ref country code: AT Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT Effective date: 20240529 |
|
PG25 | Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo] |
Ref country code: PL Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT Effective date: 20240529 |
|
PG25 | Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo] |
Ref country code: LV Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT Effective date: 20240529 |
|
RAP4 | Party data changed (patent owner data changed or rights of a patent transferred) |
Owner name: COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE ET AUX ENERGIESALTERNATIVES |
|
PG25 | Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo] |
Ref country code: RS Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT Effective date: 20240829 |